[发明专利]一种低合金元素强化高温抗氧化性能的自钝化钨合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种低合金元素强化高温抗氧化性能的自钝化钨合金(SPTA)及其制备方法，是采用机械合金化技术将低合金元素均匀的分散在W‑Cr基体中，然后采用FAST对粉体进行致密化，控制烧结过程中的工艺参数，获得不同成分的高致密、细晶、少量偏析/均质结构的SPTA块体。经过热震氧化实验发现，低合金元素的引入可以明显强化SPTA的高温抗氧化性能。

技术领域

本发明属于极端条件(高温、氧化)下应用的难熔钨(W)合金领域，具体涉及一种低合金元素强化高温抗氧化性能的自钝化钨合金及其制备方法，是通过加入低合金元素优化W合金成分，然后通过场辅助烧结技术(FAST)制备出高致密、细晶、少量偏析/均质结构的自钝化钨合金，以期其具有良好的高温抗氧化性能。

背景技术

钨(W)具有高熔点(～3410℃)、高热导率、低的热膨胀系数、良好的高温力学性能等优点，在极端环境下具有广泛的应用前景。然而，在高温氧化气氛下，W非常容易氧化，从而影响其在高温下的应用。比如：未来核聚变装置用第一壁W材料经受中子辐照后，具有一定的放射性；如果发生氧化、挥发，则存在核放射性泄漏的风险。因此，开发出一种具有良好抗氧化性能的W合金材料非常有必要。自钝化钨合金(SPTA)通过添加的合金化元素优先在其表面形成一层致密的保护性氧化皮，避免W氧化从而确保其继续使用。

目前，主要通过优化成分、调控微观组织结构，以获得抗氧化性能更好的SPTA。例如，在对W-Cr-Zr薄膜合金进行成分优化时发现，当Cr含量足够的情况下，W合金存在最优的Zr/Cr比值(5～10％)。一般来说，SPTA中Cr元素的含量约为10～14wt.％，其固溶温度应高于1400℃。在微观组织调控方面，采用低温、高压烧结技术可以制备出纳米W合金，相应的烧结温度低于1200℃。然而，W合金在低于固溶温度下烧结时，必然导致Cr元素偏析，从而不利于改善其高温抗氧化性能。场辅助烧结技术(FAST)利用脉冲直流电流的电流场和轴向外加载荷的应力场对烧结粉体进行烧结，可以实现难熔金属材料在低温下快速致密化。因此，本发明通过加入低合金元素对SPTA进行成分优化，然后通过FAST进行致密化，以制备出高致密、细晶、少量偏析/均质结构的SPTA，以期其具有良好的高温抗氧化性能。

发明内容

本发明旨在提供一种低合金元素强化高温抗氧化性能的自钝化钨合金(SPTA)及其制备方法，采用场辅助烧结技术(FAST)对添加合金化元素(Ti、Si)的W基粉体材料进行致密化，获得具有良好的高温抗氧化性能的SPTA。

本发明低合金元素强化高温抗氧化性能的自钝化钨合金SPTA，其组分构成如下：

10wt.％≤钝化元素≤13wt.％，0wt.％＜活化元素≤1wt.％，0wt.％＜低合金元素≤0.5wt.％，余量为W。

所述钝化元素为Cr；所述活化元素为Y和Zr；所述低合金元素为Ti和/或Si，优选为Ti和Si。

需要特别指出的是，上述比例中的低合金元素的含量限定是分别针对Ti和Si的，而并非是低合金元素的总含量。也就是说，本发明自钝化钨合金SPTA中，0wt.％＜Ti≤0.5wt.％，0wt.％＜Si≤0.5wt.％。无论低合金元素是单独的Ti或Si，或是Ti和Si，均符合上述的配比要求。

根据W合金中元素种类数量，将W合金按照以下方案命名：

W-Cr-Y-Zr-Ti合金命名为ZW5(“Z”和“W”分别表示“自钝化”和“钨合金”；5表示W合金中元素的种类数)。

W-Cr-Y-Zr-Ti-Si合金命名为ZW6(“Z”和“W”分别表示“自钝化”和“钨合金”；6表示W基体中元素的种类数)。

本发明低合金元素强化高温抗氧化性能的SPTA，具有高致密、细晶、少量偏析/均质结构的特点，其相对密度大于98％，晶粒尺寸约为200nm。